JP4155996B2 - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、画素部に増幅回路を有する増幅型固体撮像装置に関し、より詳しくは、増幅型固体撮像装置の性能向上に関する。

一般に、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが普及している。

そのような増幅型固体撮像装置の一例としては、画素部が周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。ＡＰＳ型イメージセンサの中でも、近年は高画質が得られる４トランジスタ型が主流となりつつある。

図８は、画素部１１０内に４つのＭＯＳ型トランジスタを備えた４トランジスタ型の画素構成を示す図である。ここで、受光部１０１は、通常埋め込みフォトダイオードで構成され、受光部１０１から信号電荷蓄積部１０３(ＦＤ)へは転送トランジスタ１０２により信号電荷が転送される。信号電荷蓄積部１０３は、受光部１０１から信号電荷が転送される前に、リセットトランジスタ１０４により電源電圧Ｖｄにリセットされる。次いで、転送トランジスタ１０２がオンとなり信号電荷が転送される。リセット後および信号電荷転送後の信号電荷蓄積部１０３の電位は、増幅トランジスタ１０５により増幅され、選択トランジスタ１０６を介して読み出し信号線１０７に読み出され、末端に接続された定電流負荷１１１で受けて、後段に出力される。

この画素構成においては、リセット動作時、信号電荷蓄積部１０３の電位ＶFDは次式のようになる。
ＶFD＝Ｖd−Ｖth ……… (式１)

ここで、Ｖdはリセットトランジスタ１０４のドレイン電圧(電源電圧)、Ｖthはリセットトランジスタ１０４の閾値電圧であるが、ソース電圧ＶFD＞０のためにバックゲート効果が働き、ソース電圧ＶFD＝０のときの値Ｖth(０)より高くなる。従って、式１より、一般にリセット電位はドレイン電圧より低くなる。

信号電荷蓄積部１０３のリセット電位が低い場合、転送トランジスタ１０２をオンとして、埋め込みフォトダイオード１０１から信号電荷蓄積部１０３に電荷転送するときに、両者間の電圧差が不十分となり、完全転送が困難となる。即ち、フォトダイオード１０１に電荷が残留し、残像が発生する。

そこで、リセット動作時に信号電荷蓄積部の電位を高める手法として、例えば、非特許文献１の方法が提案されている。その非特許文献１に記載された増幅型固体撮像装置の画素構成を図９に示している。図９において、２０１は受光部、２０２は転送トランジスタ、２１１は定電流負荷、２１２はスイッチトランジスタである。

図９では、選択トランジスタを省いて増幅トランジスタ２０５のソースが読み出し信号線２０７に直接接続されている。リセット動作時、リセットトランジスタ２０４をオンとすることにより、信号電荷蓄積部２０３電位は短時間で、まず(Ｖd−Ｖth)まで上昇する。その後、読み出し信号線２０７の電位が比較的ゆっくりと上昇し、増幅トランジスタ２０５のゲート／ソース間容量により、更にαだけ上昇する。即ち、この場合の信号電荷蓄積部２０３の電位ＶFDは次式のようになる。
ＶFD＝Ｖd−Ｖth＋α ……… (式２)

しかしながら、非特許文献１の方法には次の課題が存在する。

上記(式２)において、リセットトランジスタ２０４の閾値電圧Ｖthはバックゲート効果のためＶth(０)より高くなる。一般には０.８Ｖ程度になる。他方、αの値は、増幅トランジスタ２０５のゲート／ソース間容量および信号電荷蓄積部２０３の容量に依存するが、非特許文献１の例では０.４Ｖ程度である。従って、信号電荷蓄積部２０３の電位ＶFDの値は電源電圧Ｖdを超えることは困難である。
馬渕圭司，外７名，「ＦＤ−Ｄriving型ＣＭＯＳセンサとその低電圧駆動技術」，映像情報メディア学会，２００４年３月２６日，Vol.２８，No.２３，PP.３５−３８

そこで、この発明の課題は、リセット動作時に信号電荷蓄積部の電位を高くして、転送トランジスタがオンとなったときの光電変換素子と信号電荷蓄積部との間の電位差を十分に確保でき、光電変換素子から信号電荷蓄積部への信号電荷の完全転送(＝無残像)が容易にできる増幅型固体撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、
光電変換素子と、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、上記信号電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、ソース側が読み出し信号線に直接接続され、上記信号電荷蓄積部の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタとを有する画素部と、
上記転送トランジスタと上記リセットトランジスタを制御すると共に上記増幅トランジスタのドレイン側電位を制御する制御部と
を備え、
上記制御部は、
上記光電変換素子からの信号電荷を上記信号電荷蓄積部に転送する前に、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を低くして上記読み出し信号線の電位を第１の電位に保持した状態で上記リセットトランジスタを所定期間オンして上記信号電荷蓄積部の電位をリセットした後、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして上記読み出し信号線の電位を上記第１の電位よりも高い第２の電位にして、上記増幅トランジスタの入力側と上記読み出し信号線側との間の容量を介して上記信号電荷蓄積部の電位をリセット直後の電位よりも高くなるようにし、
上記信号電荷蓄積部の電位をリセット直後の電位よりも高くした状態で上記転送トランジスタをオンして、上記光電変換素子からの信号電荷を上記信号電荷蓄積部に転送することを特徴とする。

上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセット前において、上記制御部によって、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を低くすることにより、読み出し信号線に直接接続された増幅トランジスタのソース側を低い状態の第１の電位にすることが可能となる。その後、上記制御部によって、リセットトランジスタを所定期間オンして信号電荷蓄積部の電位をリセットした後、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして増幅トランジスタのドレイン側を高電位とすることにより、読み出し信号線の電位を第１の電位よりも高い第２の電位にすることが可能となる。そうすることにより、上記増幅トランジスタの入力側と出力側(読み出し信号線側)との間の容量を介して、信号電荷蓄積部の電位はリセット直後の電位よりも高くなるようにする。この状態で転送トランジスタをオンすれば、光電変換素子と信号電荷蓄積部(ＦＤ)との間の電位差を十分に確保して完全転送を容易にすることが可能となり、それによって、無残像化が実現できる。また、光電変換素子および信号電荷蓄積部それぞれの電圧マージンが拡大することにより、最大取り扱い信号量を拡大して、画素性能を向上できる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、
上記増幅トランジスタのドレイン側と高電位電源側との間に挿入された選択トランジスタを備え、
上記選択トランジスタは上記制御部により制御されることを特徴とする。

上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセット前において、上記制御部によって、上記選択トランジスタを高電位電源に対してオフとすることにより、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を低くすることにより、読み出し信号線に直接接続された増幅トランジスタのソース側を低い状態の第１の電位にすることが可能となる。その後、上記制御部によって、リセットトランジスタを所定期間オンして信号電荷蓄積部の電位をリセットした後、上記選択トランジスタを高電位とすることにより、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして増幅トランジスタのドレイン側を高電位電源とすることにより、読み出し信号線の電位を第１の電位よりも高い第２の電位にすることが可能となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、
上記増幅トランジスタのドレイン側がドレイン信号線に接続され、
上記ドレイン信号線の電位は上記制御部により制御されることを特徴とする。

上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセット前において、上記制御部によって、上記ドレイン信号線の電位を低くし、増幅トランジスタのドレイン側の電位を低くすることにより、読み出し信号線に直接接続された増幅トランジスタのソース側を低い状態の第１の電位にすることが可能となる。その後、上記制御部によって、リセットトランジスタを所定期間オンして信号電荷蓄積部の電位をリセットした後、上記ドレイン信号線の電位を高くし、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くすることにより、読み出し信号線の電位を第１の電位よりも高い第２の電位にすることが可能となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記制御部は、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送するために、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして上記読み出し信号線の電位を上記第２の電位にした後、上記転送トランジスタをオンする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によって、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして上記読み出し信号線の電位を第２の電位にした後、転送トランジスタをオンして光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送することによって、光電変換素子から信号電荷蓄積部への電荷転送を完全化できる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記読み出し信号線と低電位電源側との間に接続された負荷を備えている。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記読み出し信号線が低電位電源側に負荷を介して接続されているので、増幅トランジスタにより増幅された信号電荷蓄積部の電位に相当する読み出し信号が読み出し信号線に出力される。

更にまた、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記制御部は、上記リセットトランジスタをオンするときに上記選択トランジスタをオフ状態にして上記増幅トランジスタのドレイン側電位を低くし、上記読み出し信号線の電位を上記第１の電位にした後、上記選択トランジスタをオンすることにより上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くし、上記読み出し信号線の電位を上記第２の電位とする。

上記実施形態によれば、リセット前において、増幅トランジスタのドレイン側を高電位電源に対してオフ状態にすることにより、読み出し信号線に接続された増幅トランジスタのソース側電位を低い状態にし、上記読み出し信号線の電位を第１の電位にすることが可能となると共に、リセット後、増幅トランジスタのドレイン側を高電位電源に対してオン状態とすることにより、読み出し信号線の電位を第１の電位よりも高い電位にすることが可能となる。

更にまた、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記制御部は、上記リセットトランジスタをオンするときに上記ドレイン信号線の電位を低くして、上記読み出し信号線の電位を上記第１の電位にした後、上記ドレイン信号線電位を高くして、上記読み出し信号線の電位を上記第２の電位とする。

上記実施形態によれば、リセット前において、上記ドレイン信号線の電位を低くすることにより、読み出し信号線に接続された増幅トランジスタのソース側電位を低い状態にし、上記読み出し信号線の電位を第１の電位にすることが可能となると共に、リセット後、上記ドレイン信号線の電位を高くすることにより、増幅トランジスタのドレイン側を高い電位とし、読み出し信号線の電位を第１の電位よりも高い電位にすることが可能となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間にキャパシタンス要素が挿入されている。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記増幅トランジスタのゲート／ソース間容量に加えて上記キャパシタンス要素による容量が付加されるために増幅トランジスタの入力側と出力側(読み出し信号線側)との間の容量が増大し、読み出し信号線の電位上昇時に、信号電荷蓄積部の電位がリセット時の電位から高められる効果が増大する。このため、光電変換素子から信号電荷蓄積部への電荷転送を完全化(＝無残像化)することを一層容易にする。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記リセットトランジスタがデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタである。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記リセットトランジスタにデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いることによって、読み出し信号線の電位が低い第１の電位にて信号電荷蓄積部をリセットするとき、信号電荷蓄積部の電位は電源電圧まで高めることが可能となる。従ってその後、読み出し信号線の電位を第１の電位よりも高い第２の電位にすると、信号電荷蓄積部の電位は電源電圧よりも高い値まで高めることが可能となる。このため、光電変換素子から信号電荷蓄積部への電荷転送を完全化(＝無残像化)することに一段と有利となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記選択トランジスタがデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタである。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記選択トランジスタにデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いることによって、信号電荷蓄積部の電位が電源電圧よりも高い値まで高められても、増幅トランジスタがエンハンスメント型であれば、増幅トランジスタの出力電圧範囲全体に渡り、選択トランジスタにより増幅トランジスタをスイッチングすることが可能となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記読み出し信号線と上記負荷との間に設けられたスイッチトランジスタを備えている。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記選択トランジスタがデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタで上記スイッチトランジスタがない場合、非選択状態においても高電位電源側と低電位電源側との間に上記負荷を介してリーク電流が生じるが、この実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、非選択時にスイッチトランジスタをオフとすることにより、上記負荷を介して流れるリーク電流を抑えることが可能となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードである。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から信号電荷蓄積部に電荷転送するとき、埋め込み型のフォトダイオードは完全空乏化され、転送を完全化することが容易となり、高画質の画像を得ることができる。

以上より明らかなように、この発明の増幅型固体撮像装置によれば、リセット動作時に信号電荷蓄積部の電位を電源電圧よりも高くすることができ、転送トランジスタがオンとなったときの埋め込みフォトダイオードと信号電荷蓄積部(ＦＤ)との間の電位差を十分に確保して、光電変換素子から信号電荷蓄積部への信号電荷の完全転送(＝無残像)が容易にできる増幅型固体撮像装置を提供することにある。

以下、この発明の増幅型固体撮像装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。この第１実施形態の増幅型固体撮像装置は、マトリックス状に配列された複数の画素部１０と、上記画素部１０を制御する制御部の一例としての走査回路２０とを備えている。図１では、画素部１０は１つのみを示す。上記画素部１０および走査回路２０を半導体基板(図示せず)上に形成している。

上記画素部１０は、光電変換素子の一例として埋め込み型のフォトダイオード１と、上記フォトダイオード１からの信号電荷を転送する転送トランジスタ２と、上記転送トランジスタ２から転送されたフォトダイオード１の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３と、上記信号電荷蓄積部３の電位をリセットするリセットトランジスタ４と、上記信号電荷蓄積部３の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタ５と、上記増幅トランジスタ５と高電位電源側である電源電圧Ｖｄとの間に挿入された選択トランジスタ６とを有している。

上記増幅トランジスタ５により増幅された信号電荷蓄積部３の電位を、増幅トランジスタ５の出力側に直接接続された読み出し信号線７に出力する。上記フォトダイオード１のアノードをグランドに接続し、フォトダイオード１のカソードを転送トランジスタ２の一端に接続している。上記転送トランジスタ２の他端を信号電荷蓄積部３に接続し、転送トランジスタ２のゲートに転送制御信号線２３を接続している。上記信号電荷蓄積部３にリセットトランジスタ４のソースが接続され、リセットトランジスタ４のドレインを高電位電源側である電源電圧Ｖｄに接続している。上記リセットトランジスタ４のゲートにリセット信号線２２を接続している。また、上記信号電荷蓄積部３に増幅トランジスタ５のゲートを接続し、増幅トランジスタ５のソースを読み出し信号線７に接続している。また、増幅トランジスタ５のドレインに選択トランジスタ６のソースを接続し、選択トランジスタ６のドレインに電源電圧Ｖｄを印加している。上記選択トランジスタ６のゲートに選択制御信号線２１を接続している。

上記読み出し信号線７の一端と低電位電源側であるグランドとの間に定電流負荷１１を接続している。この定電流負荷１１は、ベースにバイアス電圧Ｖｃが印加されたエンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。

上記リセットトランジスタ４と転送トランジスタ２と増幅トランジスタ５および選択トランジスタ６は、エンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。また、上記信号電荷蓄積部３は、半導体基板(図示せず)上に形成された浮遊拡散領域である。

また、上記走査回路２０は、選択制御信号ＳＥＬ,リセット信号ＲＳＴおよび転送制御信号ＴＸを出力する。上記選択トランジスタ６のゲートに選択制御信号線２１を介して選択制御信号ＳＥＬを入力する。また、上記リセットトランジスタ４のゲートにリセット信号線２２を介してリセット信号ＲＳＴを入力する。また、上記転送トランジスタ２のゲートに転送制御信号線２３を介して転送制御信号ＴＸを入力する。

ここで画素部１０は、図８に示した従来の増幅型固体撮像装置の構成に比べ、選択トランジスタ６が増幅トランジスタ５の高電位電源側(Ｖｄ)に接続されている点が異なっている。また、信号電荷蓄積部３(ＦＤ)と読み出し信号線７との間にキャパシタンス８が付加されていても良い。

図２は図１に示す増幅型固体撮像装置の各駆動パルスのタイミングを示している。

まず、時刻ｔ１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルとなってリセットトランジスタ４がオンし、信号電荷蓄積部３の電位は電源電圧Ｖｄ付近まで高められる。

次に、時刻ｔ２でリセット信号ＲＳＴがハイレベルからローレベルとなってリセットトランジスタ４がオフしても、その信号電荷蓄積部３の電位は保持される。

また、時刻ｔ３以前において、選択制御信号ＳＥＬはローレベルで選択トランジスタ６がオフ状態であるため、読み出し信号線７の電位Ｖoutは、第１の電位の一例としての接地電位(ＧＮＤ)に近い電位Ｖgに保持されている。

次に、時刻ｔ３になると、選択制御信号ＳＥＬがローレベルからハイレベルとなって選択トランジスタ６がオンするため、読み出し信号線７の電位Ｖoutは、第２の電位の一例としてのリセットレベルＶrstまでΔＶ上昇する。これに伴い、信号電荷蓄積部３電位はｋΔＶだけ上昇する。ｋの値は次式で表される。
ｋ＝(Ｃgs＋Ｃ８)／(Ｃfd＋Ｃgs＋Ｃ８) ……… (式３)
ここで、Ｃfd：信号電荷蓄積部３全体の容量、
Ｃgs：増幅トランジスタ５のゲート／ソース間容量、
Ｃ８：キャパシタンス８の容量
である。キャパシタンス８が無い場合はＣ８＝０である。

この動作では、時刻ｔ３直前において、増幅トランジスタ５のゲート電位は電源電圧Ｖｄ付近と高く、増幅トランジスタ５のソース電位は接地電位(ＧＮＤ)付近と低い。従って、増幅トランジスタ５のチャネルが形成された状態であり、Ｃgsはほぼ増幅トランジスタ５のゲート全体の容量である。従って、キャパシタンス８が無くてもｋの値を十分確保することができ、キャパシタンス８が有れば一層ｋの値を増大できる。なお、キャパシタンス８は、配線間容量等、レイアウトの工夫により形成しても良い。

信号電荷蓄積部３の電位が電源電圧Ｖｄよりも高い状態となった期間Ｔｒにおいて、読み出し信号線７のリセットレベルＶrstを読み出す。 次に、時刻ｔ４で転送トランジスタ２をオンすれば、埋め込み型のフォトダイオード１と信号電荷蓄積部３との間の電位差を十分に確保でき、完全転送(＝無残像)を容易にすることが可能となる。

次に、時刻ｔ５で転送トランジスタ２が閉じると、電荷量に応じて信号電荷蓄積部３の電位が変化し、それに対応して出力信号が変化するから、期間Ｔｓ(ｔ５〜ｔ６)で読み出し信号線７の信号レベルＶsigを読み出す。

上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセット前において、転送トランジスタ２,リセットトランジスタ４および選択トランジスタ６をオフして増幅トランジスタ５のドレイン側を高電位電源に対してオフ状態にすることにより、読み出し信号線７に接続された増幅トランジスタ５のソース側を低い状態の第１の電位(電位Ｖg)にすることが可能となる。また、その後、リセットトランジスタ４を所定期間(ｔ１〜ｔ２の間)オンして信号電荷蓄積部３の電位をリセットした後、選択トランジスタ６をオンして増幅トランジスタ５のドレイン側を高電位電源に対してオン状態とすることにより、読み出し信号線７の電位をよりも高い第２の電位(リセットレベルＶrst)にすることが可能となる。そうすることにより、上記増幅トランジスタ５の入力側と出力側(読み出し信号線７側)との間の容量を介して、信号電荷蓄積部３の電位をリセット直後の第１の電位(電位Ｖg)よりも高くする。この状態で転送トランジスタ２をオンすれば、フォトダイオード１と信号電荷蓄積部３との間の電位差を十分に確保して完全転送を容易にすることが可能となり、それによって、無残像化を実現することができる。また、フォトダイオード１および信号電荷蓄積部３それぞれの電圧マージンが拡大することにより、最大取り扱い信号量を拡大して、画素性能を向上できる。

また、上記制御部によって、上記選択トランジスタ６をオンして読み出し信号線７の電位を第２の電位(リセットレベルＶrst)にした後、転送トランジスタ２をオンしてフォトダイオード１からの信号電荷を信号電荷蓄積部３に転送することによって、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部３への電荷転送を完全化することができる。

また、上記読み出し信号線７が低電位電源側に定電流負荷１１を介して接続されているので、増幅トランジスタ５により増幅された信号電荷蓄積部３の電位に相当する読み出し信号が読み出し信号線７に出力される。

また、上記増幅トランジスタ５のゲート／ソース間容量に加えてキャパシタンス８による容量が付加されるために増幅トランジスタ５の入力側と出力側(読み出し信号線７側)との間の容量が増大し、読み出し信号線７の電位上昇時に、信号電荷蓄積部３の電位がリセット時の電位から高められる効果が増大する。このため、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部３への電荷転送を完全化(＝無残像化)することが一層容易になる。

また、上記埋め込み型のフォトダイオード１を用いることによって、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部３への電荷転送を完全化することが容易となり、さらにフォトダイオード１で発生する暗電流を低減することが可能となって、高画質の画像を得ることができる。

（第２実施形態）
図３は、この発明の第２実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示すタイミング図である。ここで対象となる画素部の回路図は、第１実施形態の図１に示す増幅型固体撮像装置の画素部と同じである。

この第２実施形態の増幅型固体撮像装置において、タイミングで第１実施形態の図２に示すタイミング図と異なるのは、リセット信号ＲＳＴが、時刻ｔ２までおよび時刻ｔ７以降をハイレベルに固定している点、即ち時刻ｔ２〜ｔ７のみローレベルとしている点である。図３では、時刻ｔ１〜ｔ８では図２と同じであるため、この期間の動作は図２と同様である。更に、図３の場合には、非読出し期間となる時刻ｔ１までおよび時刻ｔ８以降において、リセットトランジスタ４は常時オンのため、信号電荷蓄積部３(ＦＤ)の電位は電源電圧Ｖｄに固定される。このため、フォトダイオード１に過大な入射光があった場合などに、フォトダイオード１で発生した過剰な信号電荷は、まず転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部３(ＦＤ)へ流入するが、上記のように信号電荷蓄積部３(ＦＤ)の電位は電源電圧Ｖｄに固定されているため、速やかに電源電圧Ｖｄに排出され、過剰な信号電荷が排出されず周囲へ溢れるブルーミング現象が防止される効果がある。

（第３実施形態）
図４は、この発明の第３実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。この第３実施形態の増幅型固体撮像装置は、リセットトランジスタ１４および選択トランジスタ１６がデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタである点、読み出し信号線７と定電流負荷１１との間にスイッチトランジスタ１２を設けた点、および走査回路４０を除いて第１実施形態の増幅型固体撮像装置と同一の構成をしている。

図４に示すように、この第３実施形態の増幅型固体撮像装置は、マトリックス状に配列された複数の画素部３０と、上記画素部３０を制御する制御部の一例としての走査回路４０とを備えている。図４では、画素部３０は１つのみを示す。上記画素部３０および走査回路４０を半導体基板(図示せず)上に形成している。

上記画素部３０は、光電変換素子の一例として埋め込み型のフォトダイオード１と、上記フォトダイオード１からの信号電荷を転送する転送トランジスタ２と、上記転送トランジスタ２から転送されたフォトダイオード１の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３と、上記信号電荷蓄積部３の電位をリセットするリセットトランジスタ１４と、上記信号電荷蓄積部３の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタ５と、上記増幅トランジスタ５と高電位電源側との間に挿入された選択トランジスタ１６とを有している。

上記増幅トランジスタ５により増幅された信号電荷蓄積部３の電位を、増幅トランジスタ５の出力側に直接接続された読み出し信号線７に出力する。上記フォトダイオード１のアノードをグランドに接続し、フォトダイオード１のカソードを転送トランジスタ２の一端に接続している。上記転送トランジスタ２の他端を信号電荷蓄積部３に接続し、転送トランジスタ２のゲートに転送制御信号線２３を接続している。上記信号電荷蓄積部３にリセットトランジスタ１４のソースが接続され、リセットトランジスタ１４のドレインを電源電圧Ｖｄに接続している。上記リセットトランジスタ１４のゲートにリセット信号線２２を接続している。また、上記信号電荷蓄積部３に増幅トランジスタ５のゲートを接続し、増幅トランジスタ５のソースを読み出し信号線７に接続している。また、選択トランジスタ１６のドレインに電源電圧Ｖｄを印加している。

上記読み出し信号線７の一端とグランドとの間にスイッチトランジスタ１２と定電流負荷１１を接続している。この定電流負荷１１は、ベースにバイアス電圧Ｖｃが印加されたエンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。

上記転送トランジスタ２と増幅トランジスタ５は、エンハンスメント型のＭＯＳトランジスタであり、リセットトランジスタ１４と選択トランジスタ１６はデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタである。また、上記信号電荷蓄積部３は、半導体基板(図示せず)上に形成された浮遊拡散領域である。

また、上記走査回路２０は、選択制御信号ＳＥＬ,リセット信号ＲＳＴ,転送制御信号ＴＸおよびスイッチ制御信号ＳＷを出力する。上記選択トランジスタ１６のゲートに選択制御信号線２１を介して選択制御信号ＳＥＬを入力する。また、上記リセットトランジスタ１４のゲートにリセット信号線２２を介してリセット信号ＲＳＴを入力する。また、上記転送トランジスタ２のゲートに転送制御信号線２３を介して転送制御信号ＴＸを入力する。さらに、上記スイッチトランジスタ１２のスイッチ制御信号線２４を介してスイッチ制御信号ＳＷを入力する。

図５は図４に示す増幅型固体撮像装置の各駆動パルスのタイミングを示している。

まず、時刻ｔ０以前と時刻ｔ９以降では、スイッチ制御信号ＳＷをローレベルとし、スイッチトランジスタ１２がオフとなる。このとき、選択トランジスタ１６がデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタであっても、スイッチトランジスタ１２をオフすることによって、選択トランジスタ１６がオフにおいて、高電位電源側と低電位電源側との間での定電流負荷１１を介してのリーク電流が流れることは無い。

時刻ｔ０になると、選択トランジスタ１６がオフの状態で、スイッチ制御信号ＳＷがローレベルからハイレベルとなって、スイッチトランジスタ１２がオンすることにより、読み出し信号線７の電位Ｖoutは接地電位(ＧＮＤ)付近の低い電位Ｖgとなる。

次に、時刻ｔ１になると、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルとなってリセットトランジスタ１４がオンになる。このとき、リセットトランジスタ１４がデプレッション型であるため、信号電荷蓄積部３の電位は電源電圧Ｖｄまで高められる。

次に、時刻ｔ３になると、選択制御信号ＳＥＬがローレベルからハイレベルとなって選択トランジスタ１６がオンとなるため、読み出し信号線７の電位ＶoutはリセットレベルＶrstまでΔＶ上昇する。これに伴い、信号電荷蓄積部３の電位は、電源電圧ＶｄからｋΔＶだけ上昇する。

増幅トランジスタ５はエンハンスメント型であり、そのゲート電位が電源電圧より高くなるため、もし選択トランジスタ１６がエンハンスメント型であると、選択トランジスタ１６のゲート電位を電源まで上げても十分オンしなくなる。これに対して、この第３実施形態の増幅型固体撮像装置では、選択トランジスタ１６にデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いているため、増幅トランジスタ５の入力が電源電圧Ｖｄ以上であってもオンさせることが可能となる。

また、上記リセットトランジスタ１４にデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いることによって、読み出し信号線７の電位が低い第１の電位(電位Ｖg)にて信号電荷蓄積部３をリセットするとき、信号電荷蓄積部３の電位は電源電圧まで高めることが可能となる。従って、その後、読み出し信号線７の電位を第１の電位(電位Ｖg)よりも高い第２の電位(リセットレベルＶrst)にすると、信号電荷蓄積部３の電位は電源電圧よりも高い値まで高めることが可能となる。このため、埋め込みフォトダイオード１から信号電荷蓄積部３への電荷転送を完全化(＝無残像化)することに一段と有利となる。

また、上記選択トランジスタ１６にデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いることによって、信号電荷蓄積部３の電位が電源電圧よりも高い値まで高められても、増幅トランジスタ５がエンハンスメント型であれば、増幅トランジスタ５の出力電圧範囲全体に渡り、選択トランジスタ１６により増幅トランジスタ５をスイッチングすることが可能となる。

また、上記読み出し信号線０７と定電流負荷１１との間に設けられたスイッチトランジスタ１２を備えていることによって、選択トランジスタ１６がデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタの場合、非選択状態においてスイッチトランジスタ１２をオフとすることにより、定電流負荷１１を介して流れるリーク電流を抑えることができる。

（第４実施形態）
図６はこの発明の第４実施形態の増幅型固体撮像装置の要部の回路図を示しており、図７は上記増幅型固体撮像装置のタイミングを示している。

この第４実施形態の増幅型固体撮像装置の画素部５０は図１に比べて、選択トランジスタ６が無いこと、および増幅トランジスタ５のドレイン側がドレイン信号線２５に接続されていることが異なる。ここで、走査回路６０によって、ドレイン信号線２５のドレイン信号ＰＶdの動作波形を図７に示すタイミングで駆動することにより、増幅トランジスタ５のドレイン側は、図１および図２の場合と同様の動作となる。従って、選択トランジスタ６が無いにもかかわらず、第１実施形態の図１および図２の場合と同様の効果が可能となる。

上記第１〜第４実施形態では、光電変換素子の一例として埋め込み型のフォトダイオード１を用いた増幅型固体撮像装置について説明したが、光電変換素子はこれに限らない。

また、上記第１〜第４実施形態では、マトリックス状に複数の画素部が配列された増幅型固体撮像装置について説明したが、行方向または列方向に１列に配列された増幅型固体撮像装置にこの発明を適用してもよい。

図１はこの発明の第１実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。 図２は図１に構成を示す増幅型固体撮像装置のタイミングを示す図である。 図３はこの発明の第２実施形態として、図１に構成を示す増幅型固体撮像装置の別のタイミングを示す図である。 図４はこの発明の第３実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。 図５は図４に構成を示す増幅型固体撮像装置のタイミングを示す図である。 図６はこの発明の第４実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。 図７は図６に構成を示す第４実施形態の増幅型固体撮像装置のタイミングを示す図である。 図８は従来の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。 図９は従来の別の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。

符号の説明

１…埋め込み型のフォトダイオード
２…転送トランジスタ
３…信号電荷蓄積部
４,１４…リセットトランジスタ
５…増幅トランジスタ
６,１６…選択トランジスタ
７…読み出し信号線
１０,３０,５０…画素部
２０,４０,６０…走査回路

Claims (12)

1. 光電変換素子と、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、上記信号電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、ソース側が読み出し信号線に直接接続され、上記信号電荷蓄積部の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタとを有する画素部と、
   上記転送トランジスタと上記リセットトランジスタを制御すると共に上記増幅トランジスタのドレイン側電位を制御する制御部と
   を備え、
   上記制御部は、
   上記光電変換素子からの信号電荷を上記信号電荷蓄積部に転送する前に、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を低くして上記読み出し信号線の電位を第１の電位に保持した状態で上記リセットトランジスタを所定期間オンして上記信号電荷蓄積部の電位をリセットした後、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして上記読み出し信号線の電位を上記第１の電位よりも高い第２の電位にして、上記増幅トランジスタの入力側と上記読み出し信号線側との間の容量を介して上記信号電荷蓄積部の電位をリセット直後の電位よりも高くなるようにし、
   上記信号電荷蓄積部の電位をリセット直後の電位よりも高くした状態で上記転送トランジスタをオンして、上記光電変換素子からの信号電荷を上記信号電荷蓄積部に転送することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記増幅トランジスタのドレイン側と高電位電源側との間に挿入された選択トランジスタを備え、
   上記選択トランジスタは上記制御部により制御されることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記増幅トランジスタのドレイン側がドレイン信号線に接続され、
   上記ドレイン信号線の電位は上記制御部により制御されることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
4. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記制御部は、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送するために、上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くして上記読み出し信号線の電位を上記第２の電位にした後、上記転送トランジスタをオンすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記読み出し信号線と低電位電源側との間に接続された負荷を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
6. 請求項２に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記制御部は、上記リセットトランジスタをオンするときに上記選択トランジスタをオフ状態にして上記増幅トランジスタのドレイン側電位を低くし、上記読み出し信号線の電位を上記第１の電位にした後、上記選択トランジスタをオンすることにより上記増幅トランジスタのドレイン側電位を高くし、上記読み出し信号線の電位を上記第２の電位とすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
7. 請求項３に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記制御部は、上記リセットトランジスタをオンするときに上記ドレイン信号線の電位を低くして、上記読み出し信号線の電位を上記第１の電位にした後、上記ドレイン信号線電位を高くして、上記読み出し信号線の電位を上記第２の電位とすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
8. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間にキャパシタンス要素が挿入されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
9. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記リセットトランジスタがデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
10. 請求項２に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記選択トランジスタがデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
11. 請求項５に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記読み出し信号線と上記負荷との間に設けられたスイッチトランジスタを備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
12. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。

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